无线网络最新技术:多重输入多重输出

  由于多重输入多重输出(multiple-input, multiple-output;MIMO)的技术提供了一个扩展无线区域网络(WLAN)范围的极佳方式,因而最近成为了焦点。MIMO技术始于1985年,但直到现在才应用于晶片层级的装置,以大幅改善传输范围与容量。
  
  由于MIMO并不是单一概念,而是由多种无线射频技术所组成,因此我们必须充份了解MIMO的运作和效能。当应用于WLAN时,有些MIMO技术能与现时的WLAN标准(如802.11a、802.11b与802.11g)相容,因而能扩充其传输范围;相反,有些MIMO技术则只能用于与一般WLAN标准不相容的MIMO装置。
  
  “MIMO”一词泛指任何在传送器部分具有多重输入,与在接收器部分具多重输出的系统,(图1)阐述了其基本概念。根据MIMO改良者Jack Salz在1965年观察发现,虽然MIMO系统可能包含有线连结的装置,但整个系统通常是无线系统,例如多重天线系统、3G行动电话系统(无线系统)中所使用的Code Division Multiple Access(CDMA)系统,甚至是使用多条电话线产生串音(crosstalk)的DSL系统(有线系统)。
  

 

  本文将先介绍MIMO的历史背景和运作,并讨论MIMO能将WLAN传输范围扩充的程度。
  
  MIMO 20年的开发进程
  
  MIMO在无线通讯的起源可追溯至1984年,当时任职于Bell Laboratories的Jack Winters有了突破性的开发进展。这位MIMO的先驱道出了利用传送器与接收器的多重天线,把多个使用者所传来的资料以相同的频率/时间通道传输。
  
  在1985年,Bell Laboratories的Jack Salz发表了一篇关于MIMO在有线通讯应用的研究报告,之后便有多位学者与相关研究人员投入MIMO的领域并发表研究报告。值得注意的是,Jack Winters将Salz于1985的报告加以扩充,应用至无线通讯领域,证明使用者可以透过传输器与接收器的多重天线来同时无线传输多个资料流。
  
  为了满足强烈的市场需求,现今许多WLAN、Wi-Max与行动通讯公司均已提供(或计划提供)以MIMO技术为基础的解决方案。MIMO具有多项功能,如传输波束成形(Transmit Beamforming)/最高比结合(Maximal Ratio Combining;MRC)、空间多工(spatial multiplexing)与时空编码(space-time coding)。
  
  无线市场的领导厂商如Intel、Cisco、Qualcomm、Samsung、Mitsubishi、Panasonic、Philips、Toshiba、Sony与Atheros共同合作,开发出多项可相互运作且可扩充的WLAN MIMO技术。这些领导厂商将共同努力为消费者带来广为接受的标准解决方案。
  
  MIMO技术优势
  
  为何MIMO如此具有吸引力?透过增加传输器与接收器的天线数量,MIMO可以提升资料传输率,并提供更大的覆盖率与传输范围。可是,MIMO并不是那种一体适用(one-size-fits-all)的技术。MIMO能增加资料传输率,但也要视乎设计工程师会否应用。如何选择合适的MIMO工具,则要视操作环境与所采用的系统种类而定。
  
  在过去20年来,许多MIMO的技术与应用均相当成功,其中包含:
  
  ·传输波束成形/最高比结合(Transmit beamforming/maximal ratio combining)
  
  ·空间多工(Spatial multiplexing)
  
  ·时空编码(Space-time coding)
  
  ■传输效能加倍
  
  传输波束成形(图2)是一种传输器的技术,在传输器与接收器之间,以功率最强的路径来传输资料(vanVeen88, Spencer04)。透过精密的运算法,传输器可以驱动多个天线,因而能把大部分的射频功率集中传输至接收器。因此,整个装置能达到最高的传输效能。
  

 

  在执行传输波束成形时,需要使用两个或更多的功率放大器与天线,以相位移运算法(phase-shifting algorithm)控制,集中把射频功率传输至接收器。透过这种方式,有效传输功率(effective transmit power)的提升幅度是传输天线数的平方,例如若有两个传输射频,其有效传输效率将变成四倍。
  
  要达到上述的效率成长,主要有两个因素:功率提升与阵列提升。功率提升在于多重的传输天线在空气中传输资料,由于天线数量增加,整体的功率也随之提升。而阵列提升是因为所传输的功率集中于同一个方向,因此能减少浪费在其它方向的功率。如果使用两个天线来进行传输,传输至接收器的整体功率就增加1倍。因此,当结合这两项因素时,有效传输功率便能净增4倍。
  
  传输波束的方向集中过程可以依据传输通道的频率特性来调整。如(图3)所示,如果传输波束成形系统从接收装置收到至少一个封包,系统便能掌握通道反应(不论是在传送或接收端,也可以应用同样的通道反应),以调整所传送讯号的相位,以便接收器天线收到讯号之后,能依据各组频率将资料做有意义的整合。这种方法可以降低多重路径的影响,甚至在传输资料到非MIMO装置时也有同样效果。
  

 

  MIMO传输器能大幅扩大传输范围,让更远的接收器也能收到高频宽的讯号。因此,对面积大的居家或办公室环境,MIMO能提供更佳的覆盖率。MIMO的传输器让使用者能在讯号范围极限之内仍可接收讯号,令WLAN的设定变得更加容易。
  
  ■接收效能加倍
  
  最高比结合(MRC)是一项接收器技术,能将来自不同天线的讯号一致地整合(见图4)。MRC能改善接收讯号的讯号杂讯比(signal-to-noise ratio;SNR),而改善的程度则与所使用天线的数量成正比。多重接收器不仅增加的接受功率,同时也透过个别整合每个频率元件的接受讯号,降低多重通道的影响。这过程称为“副载波最高比结合”(subcarrier-based maximal ratio combining),可大幅提升整体增益,特别是在多重路径的环境中。如先前(图3)所示,在多重路径环境中,讯号经过多个物体产生反射,造成两个天线会接收到不同特征的讯号,或是其中一个天线对某些频率的讯号接收不清楚。
  

 

  MRC将天线所接收的各频率讯号整合起来,进而增加讯号的功率。若讯号的强度相若,接受器便会选择性地结合其讯号强度,故此即使只使用两个天线,还能把频率功率增加一倍。
  
  Receive Combining不能跟天线分集(antenna diversity)混为一谈。天线分集不会依据不同的频率中不同讯号的强度或从使用两个天线增强了的讯号强度而选择讯号元件。采用天线分集的接收器只会选择提供最佳效能的天线,而第二个天线则置之不用。虽然比起没有任何天线分集而言,此技术的确有其优点,但依然无法降低多重通道的干扰或提升讯号品质。
  
  值得注意的是,即使传输器没有采用MIMO技术,依然能享有接收器中MCR功能所带来的好处。在现有的装置中,如热点的存取点、家庭网络闸道、桌上型与笔记型电脑等,其传输器都与这种MIMO技术完全相容。这技术也可以应用在2.4 and 5GHz频谱上,改善所有802.11a与802.11g标准装置的效能。与其它技术不同的是,即使只是在无线连结的一端采用receive combining技术,亦能提升整体效能。
  
  ■增加传输和接收的效能
  
  当结合传输波束成形与MRC和使用多重传输与接收的天线时,便能成为一个MIMO系统(见图5)。传输波束成形/MRC可大幅改善系统效能。更重要的是,这样的结合能与所有终端装置完全整合,确保使用这些技术的系统(如无线区域网络)的相互运作性与可靠性。由于使用在802.11的MIMO应用还没有标准化,目前能提供可靠与稳定效能的pre-standard解决方案,只有那些使用传输波束成形/MRC技术的解决方案,如Atheros与其OEM客户目前所提供的VLocity MIMO解决方案。
  

 

  目前业界已开发出一种独立技术,名为空间多工(spatial multiplexing)(见图6),在传输器与接收器之间传输两个或更多的独立资料流,进而增加资料传输率。这项技术自1987年开发。由于此技术使用并流的多重独立资料流,而传统系统的设计只能接受单一资料流,因此传统系统出现了无法将讯号解码的问题。
  

 

  要使用空间多工,必须有已知的引导(preamble)或训练序列(training sequence),让接收器可以学习如何分隔重叠的资料流。此外,大多数系统会将接受器的回应整合至传输器,做为选择适当操作模式的参考。这就是为何使用空间多工的WLAN pre-standard解决方案可能无法与预计于2006年初推出的802.11n标准相容。我们在下一段将进一步说明。此外,根据研究指出【MobPipe04】,当这些装置要以与标准相容的非MIMO模式进行沟通时,将无法相互运作。即使没有这些问题,现行采用802.11a/b/11g标准的WLAN系统,其设计是针对非空间多工标准,因此使用空间多工并无法提升效能。
  
  时空编码(space-time coding)则是在传输器不知情的情况下,运用传输与接收器之间不同路径的技术。若传输器与接收器的设计加以配合,时空编码是个较容易执行的机制。此外,时空编码也是3G行动电话系统所使用的技术。但由于此技术不需要了解讯号路径,因此其资料传输率比传输波束成形/MRC以及空间分工还低。时空编码通常需要多个传输天线,而接收天线则是一个或多个皆可。
  
  在过去20年来,这些MIMO的衍生技术,不论是个别或整合运用,已大幅改善无线及有线系统的效能。例如行动电话业者便积极推动时空编码,而雷达解决方案与固定无线系统则广泛使用传输波束成形。
  
  802.11n将为未来WLAN定义MIMO
  
  随著WLAN在全球广泛运用,消费者与企业越来越依赖此网络的运作,进行重要的商业活动或是处理敏感的个人事务。因此,任何新型的WLAN技